Tay đua MotoGP nghiêng xe tới khoảng 60 độ so với phương thẳng đứng mà không ngã vì lực ma sát giữa lốp và mặt đường đủ lớn để giữ cân bằng với lực ly tâm khi vào cua nhanh. Đầu gối chạm đất không phải để chống xe, mà là một "cảm biến" bằng thân người cho biết xe đã nghiêng tới đâu. Toàn bộ chuyện này là vật lý lớp 10, cộng với lốp đua đặc biệt và nhiều năm tập luyện.
Vì sao xe phải nghiêng khi vào cua
Muốn đi theo đường cong, một vật cần lực hướng tâm — lực kéo nó vào phía trong cua. Với xe hai bánh, lực đó đến từ ma sát ngang giữa lốp và mặt đường. Nhưng lực ma sát tác dụng ở mặt đường, còn trọng tâm của xe và người nằm cao phía trên. Nếu xe đứng thẳng, lực ở chân bánh sẽ làm xe đổ ra ngoài cua.
Cách duy nhất để cân bằng là nghiêng cả khối xe và người vào trong, sao cho hợp lực của trọng lực và lực hướng tâm đi đúng qua điểm tiếp xúc của lốp. Khi đó, góc nghiêng θ (tính từ phương thẳng đứng) liên hệ với tốc độ và bán kính cua theo công thức gọn:
tan θ = v² / (r · g) — trong đó v là tốc độ (m/s), r là bán kính cua (m), g ≈ 9,81 m/s².
Thử với một khúc cua bán kính 50 m, chạy 100 km/h (khoảng 27,8 m/s): v² / r = 772 / 50 ≈ 15,4 m/s², tức gia tốc ngang khoảng 1,57 lần trọng trường. Góc nghiêng cần thiết là arctan(1,57) ≈ 57,5 độ. Cùng khúc cua đó mà chạy 60 km/h thì chỉ cần nghiêng khoảng 29,5 độ. Tốc độ nhân đôi, gia tốc ngang nhân bốn — đó là lý do một chút tốc độ thêm lại đòi hỏi nghiêng sâu hơn hẳn.
| Góc nghiêng (độ) | Gia tốc ngang (lần g) | Ma sát tối thiểu cần có |
|---|---|---|
| 30 | 0,58 | Lốp xe phổ thông trên đường khô đáp ứng thoải mái |
| 45 | 1,00 | Đã gần giới hạn của nhiều lốp đường phố |
| 55 | 1,43 | Cần lốp thể thao đã đủ nhiệt, mặt đường tốt |
| 60 | 1,73 | Vùng của lốp đua slick trên đường đua chuyên dụng |
Bảng trên là con số lý tưởng cho khối "xe + người" coi như một chất điểm. Thực tế phức tạp hơn, như phần dưới sẽ nói, nhưng nó cho thấy vì sao không thể đem kỹ thuật đường đua ra đường phố.
Ma sát lốp đua: bí mật nằm ở cao su nóng
Theo cách tính đơn giản, nghiêng 60 độ cần hệ số ma sát ngang khoảng 1,7 — cao hơn mức ma sát mà sách giáo khoa thường nêu cho cao su trên nhựa đường. Lốp đua làm được nhờ vài yếu tố:
- Hợp chất mềm và nhiệt độ cao. Lốp slick (không gai) của MotoGP chỉ bám tốt khi đã nóng tới khoảng nhiệt độ làm việc, nên trước cuộc đua lốp được ủ trong chăn sưởi. Ở nhiệt độ đó cao su dẻo, bám vào các gồ ghề li ti của mặt đường như mút vào.
- Không có gai. Toàn bộ mặt lốp chạm đường, diện tích tiếp xúc lớn nhất có thể. Đổi lại, lốp slick gặp nước là trơn — vì thế mới có lốp mưa riêng.
- Mặt đường đua. Nhựa đường đường đua được thiết kế độ nhám riêng, được làm sạch và sau nhiều vòng còn phủ một lớp cao su từ chính các lốp chạy trước.
- Biên dạng tròn của lốp. Mặt cắt lốp mô tô gần như cung tròn, nên khi nghiêng, xe "lăn" sang phần vai lốp. Nhà sản xuất làm vai lốp bằng hợp chất khác phần giữa để bám tốt khi nghiêng sâu.
Ngoài ma sát thuần tuý, khi bánh xe nghiêng, phần cao su tiếp xúc bị ép lệch, sinh thêm một lực đẩy vào trong cua gọi là lực nghiêng bánh (camber thrust). Lực này góp phần giúp xe bám cua.
Treo người ra ngoài: vì sao tay đua "đu" khỏi yên
Nhìn ảnh MotoGP, tay đua không ngồi yên giữa xe mà dịch hông sang một bên, thân trên chồm vào trong cua, đầu gần như ngang tay lái. Kỹ thuật này gọi là hang-off (treo người).
Lý do nằm ở trọng tâm. Điều kiện cân bằng áp dụng cho trọng tâm chung của xe và người. Khi người dịch ra phía trong cua, trọng tâm chung lệch vào trong, nên cùng một tốc độ và bán kính, chiếc xe không cần nghiêng sâu bằng. Phần góc nghiêng "tiết kiệm" được chính là khoảng an toàn: lốp chưa phải dùng tới mép vai, gầm xe chưa chạm đất.
Nói cách khác, khi thấy xe MotoGP nghiêng khoảng 60 độ, khối xe và người thực ra đang "nghiêng chung" ít hơn con số đó. Đó cũng là lý do tay đua có thể ép tốc độ vào cua cao hơn nữa mà xe vẫn còn dư góc.
Người ta thường gắn kiểu ôm cua chạm gối với thế hệ tay đua thập niên 1970, đặc biệt là Kenny Roberts — người Mỹ mang phong cách đua đường đất sang các giải Grand Prix và vô địch hạng 500cc ba năm liền 1978–1980. Thời đó tay đua còn dán băng keo dày lên đầu gối bộ da. Ngày nay bộ đồ đua có sẵn miếng trượt gối (knee slider) bằng nhựa cứng gắn bằng khoá dán, thay sau vài buổi chạy.
Đầu gối và khuỷu tay chạm đất để làm gì
Một hiểu lầm phổ biến là tay đua tì gối để chống xe khỏi đổ. Không đúng: gối chỉ chạm nhẹ, gần như không chịu lực. Lực giữ xe vẫn là lốp.
Miếng trượt gối là thước đo. Khi gối chạm mặt đường, tay đua biết chính xác mình đang nghiêng tới đâu so với lần trước, ở cùng khúc cua đó. Nếu gối chạm sớm hơn bình thường, nghĩa là đang nghiêng sâu hơn dự tính. Trong vài trường hợp, khi bánh trước bắt đầu trượt, tay đua có thể dồn thêm một chút lực lên gối và khuỷu tay để "mua" thêm vài phần mười giây cho lốp bám lại — chi tiết này sẽ thấy rõ ở phong cách của Marc Márquez.
Từ khoảng giữa thập niên 2010, khi lốp và điện tử cho phép nghiêng sâu hơn, nhiều tay đua bắt đầu chạm cả khuỷu tay xuống đường. Bộ đồ da vì thế có thêm miếng trượt ở khuỷu.
Lái nghịch hướng: cách để xe đổ vào cua
Ở tốc độ trên vài chục km/h, mô tô không đổi hướng bằng cách xoay tay lái về phía muốn rẽ. Muốn rẽ trái, người lái đẩy nhẹ ghi đông bên trái về phía trước — tức là bánh trước xoay thoáng qua sang phải. Bánh trước chạy ra ngoài một chút, khiến thân xe đổ nghiêng sang trái, rồi xe vào cua trái. Hiện tượng này gọi là lái nghịch hướng (countersteering).
Mọi người đi xe máy đều làm điều này mà không để ý. Tay đua thì làm có chủ đích và rất mạnh: ở chicane (hai cua đổi chiều liên tiếp), họ phải lật chiếc xe khoảng 157 kg trở lên từ nghiêng trái sang nghiêng phải trong chưa đầy một giây. Kỹ năng này tốn sức đến mức tay đua MotoGP tập luyện thể lực phần trên cơ thể và cánh tay rất nặng.
Giới hạn: khi nào thì ngã
Đi theo cung cua là cân bằng mong manh. Lốp chỉ có một "ngân sách" bám đường: dùng bao nhiêu để phanh hay tăng tốc thì còn lại bấy nhiêu để bám ngang. Đang nghiêng 60 độ mà phanh thêm hay vặn ga mạnh là vượt ngân sách. Hai kiểu ngã thường gặp:
- Trượt bánh trước (lowside). Bánh trước mất bám khi vào cua, xe đổ xuống và trượt ra ngoài. Người lái thường trượt theo xe, ít nguy hiểm hơn vì không bị hất lên.
- Bánh sau trượt rồi bám lại đột ngột (highside). Bánh sau trượt ngang vì quá nhiều ga, rồi bất ngờ bám trở lại. Xe bị bật thẳng đứng, hất người lái lên không. Đây là kiểu ngã đáng sợ nhất, từng phổ biến thời xe 500cc hai thì. Hệ thống kiểm soát lực kéo ngày nay giảm mạnh kiểu ngã này.
Bề mặt cũng thay đổi tất cả: vạch sơn kẻ đường, nắp cống, sỏi, dầu, cát hay vệt nước đều có ma sát thấp hơn nhiều so với nhựa sạch. Một chiếc xe nghiêng sâu đi qua vạch sơn có thể mất bám ngay lập tức.
Góc nhìn hôm nay: đường phố không phải đường đua
Hiểu vật lý ôm cua giúp người đi mô tô trên đường hiểu vì sao phải vào cua chậm hơn mình nghĩ. Trên đường công cộng có xe ngược chiều, có ổ gà, cát, dầu loang, người đi bộ — và không có vùng thoát hiểm phủ sỏi. Lốp xe đường phố cũng không bao giờ đạt nhiệt độ như lốp đua.
Mấy điều đáng mang về:
- Góc nghiêng tăng nhanh theo bình phương tốc độ. Giảm tốc trước khi vào cua luôn rẻ hơn phanh trong cua.
- Luôn giữ dư góc nghiêng. Nếu phải nghiêng gần hết mới qua được cua, nghĩa là đã vào quá nhanh.
- Nhìn xa về phía đầu ra của cua; xe đi theo hướng mắt nhìn.
- Chạm gối không phải mục tiêu trên đường phố. Ai muốn thử kỹ thuật ôm cua thì đến các khoá huấn luyện trên đường đua được cấp phép, có huấn luyện viên và trang bị bảo hộ đầy đủ.
Muốn đọc sâu hơn, các sách về động lực học mô tô dành cho kỹ sư (như công trình của Vittore Cossalter về động lực học xe hai bánh) giải thích chi tiết lực nghiêng bánh, biên dạng lốp và trọng tâm. Với người xem đua, chỉ cần để ý góc nghiêng hiển thị trên màn hình truyền hình là đã thấy rõ những con số trong bài.
Câu hỏi thường gặp
Xe MotoGP nghiêng được bao nhiêu độ?
Xe MotoGP thường nghiêng tới khoảng 60 độ so với phương thẳng đứng ở những khúc cua nhanh, có lúc nhỉnh hơn một chút. Con số này có được nhờ lốp slick đã đủ nhiệt, mặt đường đua chuyên dụng và kỹ thuật treo người ra phía trong cua.
Vì sao tay đua mô tô chạm đầu gối xuống đất?
Đầu gối chạm đất để tay đua cảm nhận chính xác góc nghiêng của xe, không phải để chống xe. Miếng trượt gối bằng nhựa cứng gắn trên bộ đồ da chịu phần mài mòn. Lực giữ xe trong cua vẫn đến từ ma sát của lốp.
Vì sao xe máy nghiêng khi vào cua mà không đổ?
Khi vào cua, xe cần lực hướng tâm do ma sát lốp tạo ra. Nghiêng xe giúp hợp lực của trọng lực và lực hướng tâm đi qua điểm tiếp xúc của lốp nên xe cân bằng. Góc nghiêng cần thiết tăng theo bình phương tốc độ.
Lái nghịch hướng (countersteering) là gì?
Lái nghịch hướng là đẩy nhẹ tay lái phía muốn rẽ về trước, khiến bánh trước thoáng xoay ngược chiều để thân xe đổ nghiêng vào cua. Mọi xe hai bánh chạy nhanh đều đổi hướng theo cách này. Tay đua dùng nó có chủ đích để lật xe nhanh qua các cua liên tiếp.
Highside và lowside khác nhau thế nào?
Lowside là khi lốp, thường là bánh trước, mất bám và xe đổ trượt ra ngoài cua. Highside là khi bánh sau trượt rồi bám lại đột ngột, hất người lái bay lên khỏi xe. Highside nguy hiểm hơn nhiều vì người lái rơi từ trên cao xuống.
